高频电子线路-第3章

高频电子线路清华大学出版社2012.6本章导读高频功率放大电路在系统中起何作用？功率放大电路的工作状态和分析方法与小信号放大电路有何不同？高频功率放大器的输出功率和效率与哪些因素有关？如何提高效率？高效率功率放大器的类型有哪些？它们工作特点是什么？第3章高频功率放大电路丙(C)类谐振功率放大器的工作原理、特性及理论上的分析方法。丙(C)类谐振功率放大器的欠压、临界、过压三种工作状态。丙(C)类谐振功率放大器的负载特性、放大特性、集电极和基极调制特性。滤波匹配网络的设计。直流电路的串馈和并馈两种形式。功能高频功率放大器的主要功能是用小功率的高频输入信号去控制高频功率放大器，将直流电源供给的能量转换为大功率高频能量输出，它主要应用于各种无线电发射机中。特点：为了获得大功率，则输入信号为大信号，则放大这种信号的放大器工作于非线性状态。3.1丙(C)类谐振功率放大器的工作原理图3-1晶体管高频功率放大器的原理电路滤波以及阻抗变换输入信号基极静态偏置集电极静态偏置丙类功放的组成：放大器＋带通滤波器3.1.1电路组成及工作原理晶体管转移特性曲线晶体管输出特性曲线BEonBEonCBEon()0guUuUiuU≥临界饱和线欠压区过压区设输入信号是频率ω的单频余弦信号，即iimcosuUt可得基极回路电压为BEBBiBBimcosuVuVUt图3.3谐振功率放大器的转移特性与输入电压、输出电流波形晶体管输出电流为周期脉冲形状，将其命名为集电极余弦脉冲电流，用傅里叶级数展开为c0c1mc2mcmcoscos2cosnIIItItIntIc0：集电极余弦电流脉冲的直流分量Ic1m：为集电极余弦电流脉冲的基波分量振幅Icnm：为集电极余弦电流脉冲的n次谐波分量振幅当集电极LC并联回路调谐在输入信号频率ω上时，集电极余弦电流脉冲iC的基波分量产生较大的压降；LC回路的电感L对直流呈现很小的阻抗并且可以看作短路，各高次谐波对LC回路呈现的阻抗很小并且可以看作短路，因此直流分量、各高次谐波分量不会在LC回路两端产生压降。由图3.1可得集电极回路电压为：CECCcCCc1mCCcmcoscosuVuVIRtVUt式中，是输出电压的振幅。cmc1mUIR3.1.2集电极余弦电流脉冲的分解BEonBEonCBEon()0guUuUiuU≥BEBBiBBimcosuVuVUt将代入得：CBBimon(cos)igVUtU由图3.3可知，当t时C0i则：onBBimcosUVU当ωt=0时CcmiIcmBBimonim()(1cos)IgVUUgU则将上两式代入集电极电流的表达式，并整理得：Ccmcoscos1costiICcmcoscos1costiI将展开为傅里叶级数Cc0cm1cosnniIInt其中：c0Ccmcm0c1mCcmcm1cmCcmcm21sincosd()()2(1cos)1sincoscosd()()2(1cos)12sincos2sincoscosd()()2(1)(1cos)nnIitIIIittIInnnIinttIInn式中，α0(θ)、α1(θ)、…、αn(θ)分别称为余弦电流脉冲的直流分解系数、一次谐波分解系数以及n次谐波分解系数，其大小是导通角θ的函数。定义波形系数为110()()()g(a)分解系数(b)波形系数图3.4尖顶余弦脉冲的分解系数3.1.3输出功率与效率放大器的输出功率：2222cmocmc1mc1mcm11111()2222UPUIIRIRR为了提高输出功率，需增大基波电流分解系数的值，由图3.4(a)可知，当导通角时，达到最大值，此时工作在甲乙类工作状态。因此在丙类工作状态时，放大器并不是输出功率最大。集电极电源提供的直流功率：DCCc0PVI放大器的集电极效率oc1mcmCDc0CC12PIUPIV定义：集电极利用系数cmCCUV则集电极效率可以表示为C11()2g增大波形系数和集电极电压利用系数是提高效率的两个措施。由式(3.18)与式(3.5)可知，增大等效负载可提高集电极电压利用系数。从导通角的角度看，导通角越小，波形系数越大，则效率越高。结合图3.4(a)、(b)可以发现，增大与增大是矛盾的。为了兼顾输出功率与效率，需要选择合适的导通角。忽略集电极饱和压降，设集电极利用系数为1，当时，此时的集电极效率可达到85.9%，而时的效率只能达到64%左右。一般将称为最佳导通角，可以同时兼顾输出功率与效率两个指标。当集电极利用系数为1时，可以分别求得不同工作状态下的效率如下：甲类：%501)(1801cog，，乙类：%7557.1)(901cog，，丙类（设）：o60%908.1)(601cog，，【例3.1】谐振功率放大器的晶体管转移特性斜率g=1s，开启电压Uon=0.6V，该放大器的谐振回路的等效负载。求：(1)导通角(2)VUVVVVmiBBcc9.03.018，，60RcmcmccmUIII以及、、、01cDoPP以及、解：(1)oonBBim0.60.3cos0.33=70.70.9UVU则：cmim(1cos)0.9(10.33)0.6(A)IgU-而0(70.7)0.255°1(70.7)0.439°c0cm0(70.7)0.60.2550.153(A)II°c1mcm1(70.7)0.60.4390.263(A)II°cmc1m600.26315.8(V)UIR则：ocmc1m1115.80.2632.08(W)22PUIDCCc0180.1532.75(W)PVIoCD2.0875.6%2.75PP(2)3.1.4丙(C)类倍频器倍频电路是一种输出信号频率为输入信号频率整数倍的变化电路。晶体管倍频器的电路与图3.1所示的谐振功率放大器的电路基本相同，区别是倍频电路谐振回路的中心频率不是调谐在输入信号的频率ω上，而是调谐在输入信号的高次谐波频率nω上调谐在nω上集电极输出电流cmcm()nnII输出n次谐波的功率ocmcmcmcm11()22nnnnnPUIUI()n当作为谐振功率放大器时，其导通角时输出功率最大；120°60°40°为最大时输出功率最大当作为二次倍频电路使用时，其导通角时输出功率最大；当作为三次倍频电路使用时，其导通角时输出功率最大。123(120)0.536(60)0.276(40)0.185°°°若保持集电极电流的最大值相同，则作为二倍频和三倍频使用时，其获得的最大电流振幅分别为基波电流振幅的1/2和1/3。故在相同的情况下，倍频次数越高，获得的输出电流、输出电压以及输出功率越小。所以，丙类倍频器的倍频次数不能太大，一般为2～3次，如果需要更高次数多倍频，可采用多个倍频器级联的方式。由于(1)对振荡器进行倍频，可得到更高频率的输出频率。倍频电路在通信系统以及其他电子系统中的应用：(2)在调频发射系统中使用倍频电路和混频电路可以扩展调频信号的最大线性频偏，这一点会在第6章进行讨论。3.2谐振功率放大器的动态特性分析谐振功率放大器的输出功率、效率以及集电极功耗都与集电极负载回路的等效阻抗、输入信号的幅度、基极偏置电压以及集电极电源电压的大小有关，下面就分别予以讨论。3.2.1谐振功率放大器的动态特性动态特性是指加上激励信号以及接上负载时，晶体管的集电极电流与集电极电压的关系曲线，其在坐标系中是一条曲线。小信号放大器是纯电阻负载，由于信号很小，晶体管可以近似为线性元件，故小信号放大器的动态特性曲线即为负载线，是一条直线。而谐振功率放大器工作在非线性状态，在对其折线化处理后，可用几条直线对其进行表示。图3.5谐振功率放大器的动态特性曲线图在图3.5中，若放大器工作在欠压状态，此时放大器工作在放大与截止两种工作状态，故此时的动态线即为放大区的AB直线与截止区的BC直线。对于动态线AB的作法可用以下步骤求得。由：BEBBiBBimCECCcCCcmcoscosuVuVUtuVuVUtBEBBimCECCcm10uVUtAuVU（）当时，，得到点BEBBCECC22uVtQuV（）当时，，得到点BEBBimCECCcm3uVUtCuVU-（）当时，，得到点连接A、Q点，其与横轴相交于B点，则A、B、C三点连线即为动态特性曲线。如果A点进入饱和区，如图3.5虚线所示，与临界饱和线相交于D点，进入饱和区的线用临界饱和线代替，则动态特性曲线为O、D、B、C四点连线。由图3.5可知，临界饱和线、截止区的动态线都是确定的，对于放大区内动态线AB的斜率可以表示为cmdcm11(1cos)()(1cos)IgUR因此，在放大区内的动态特性曲线与等效负载RE以及导通角θ有关。在图3.5中，当放大器工作在临界状态时，其临界饱和线OD的斜率为cmcrCCcmIgVU3.2.2谐振功率放大器的负载特性与三种工作状态集电极偏置电压VCC、基极偏置电压VBB以及激励电压ui固定不变，放大器的集电极电流Ic0、Ic1m、回路电压Ucm、输出功率Po、效率ηC随负载电阻变化的特性称为放大器的负载特性，它是高频功率放大器的重要特性之一。图3.6三种不同R∑时的放大器的波形图动态特性线A1B1代表较小则动态线斜率较大，因而Ucm也较小的情形，称为欠压工作状态。它与静态曲线交点A1决定了集电极电流脉冲的高度，此时电流波形为尖顶余弦脉冲如图3.6集电极电流波形曲线1所示。在欠压区内的Ic0与Ic1m几乎维持常数，紧随的增加而略有下降，因而可以把欠压状态的放大器当作一个恒流源。随着的增加，动态特性线斜率逐渐减小，输出电压Ucm也逐渐增加。直到它与临界线交于一点A2时，放大器工作于临界状态，此时电流波形仍为尖顶余弦脉冲如图3.6集电极电流波形曲线2所示，在放大区的动态特性曲线为A2B2。负载电阻继续增加，输出电压进一步增大，称为过压工作状态，在放大区的动态特性曲线为A3B3。进入过压区后，集电极电流脉冲开始下凹如图3.6集电极电流波形曲线3所示，其凹陷程度随着的增大而急剧加深，致使Ic0与Ic1m也急剧下降。进入过压区后，由于Ic1m随的增加而显著下降，因此Ucm随的增加而很缓慢地上升，因此可以近似地把过压状态的放大器当作一个恒压源。Po、PD、PC及ηC随负载变化关系：直流输入功率PD=VCCIc0：由于VCC不变，因此与曲线Ic0形状相同；交流输出功率Po=1/2UcmIc1m，因此曲线可以从Ucm与Ic1m两条曲线相乘求出。Po、PD、PC及随负载的变化曲线如图3.7(b)所示。RCR图3.7谐振功率放大器的负载特性曲线Ic0、Ic1m及Ucm随负载的变化曲线Po、PD、PC及ηC随负载的变化曲线由图3.7(b)可以看出，在临界状态，Po达到最大值。因此在设计高频功率放大器时，如果希望输出功率最大，就应使之工作在临界状态。集电极功耗PC=PD-Po，在欠压区内，当减小时，PC上升很快；当RΣ＝0时，PC达到最大值，可能使晶体管烧坏，必须避免发生这种情况。效率ηC＝Po/PD，在欠压时，PD变化很小，所以随Po的增加而增加；到达临界状态，开始时Po的下降没有PD下降快，因而继续增加，但增加缓慢。随着RΣ的继续增加，Po因Ic1m的急剧下降而下降，因而略有减小。由此可知，在靠近临界的弱过压状态出现的最大值。利用负载特性所反映的电流、电压和功率的变化关系，